CN1908452A - 流体增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体增压器，包括连接在输入流道和输出流道之间的输入活塞缸和输出活塞缸，输入活塞与输出活塞通过活塞杆固定连接，且输入活塞面积大于输出活塞面积，于输入流道和输入活塞缸之间连接有双稳射流元件，该双稳射流元件包括可附壁切换的第一和第二切换流道以及排液口，其中第一切换流道连通于输入活塞缸的上腔，所述输入活塞缸的下腔通过一换向机构连通于第二切换流道或者连通于一泄流通道，所述的排液口通过节流元件连通于该泄流通道，节流元件与排液口之间的流道形成为节流支路，所述输出活塞缸的下腔通过单向导通元件连通于该节流支路。本发明适用于管道式和安装空间限制的场所。应用在石油钻井中，可对钻井液增压，用于提高井底喷射压力，从而提高钻井速度。

Description

流体增压器

技术领域

本发明涉及一种增压装置，具体地讲是一种流体增压器。

背景技术

流体增压装置是广泛应用于液压或者气压系统中给工作流体进行增压的装置。高压射流增压装置就是一种流体增压器，其一般是应用齿轮泵、活塞泵和柱塞泵，采用多路换向阀和逻辑控制阀组合来实现增压效果。该些增压装置的动力来源集中在机械驱动，并且配套设备的尺寸庞大，不适用于管式和安装空间受限制的场所。例如，在地质钻探、石油钻井和孔洞掘进等施工中，应用现有的高压射流作业设备收到约束。

目前石油钻井的方法是钻头旋转以实现机械齿破岩，其中石油钻井的速度与钻井泵的泵压密切相关。试验表明，进一步提高泵压，可以大大提高钻井速度。但是从设备方便考虑，钻井泵压的大幅提高，不仅钻井泵本身技术上存在难于克服的困难，而且泵的地面管汇和钻柱系统也承受不了，并且其中还要涉及到整套钻井设备传动系统的重新设计和研制问题，因此就目前工艺条件来看比较难以实现。

因此，有必要提供一种设备尺寸小，可适用于管道式和安装空间受限制场所的流体增压器，来解决现有增压装置存在的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种流体增压器，其可适用于管道式和安装空间限制的场所，尤其适用于安装在钻井钻头上，用于提高井底喷射压力，从而提高钻井速度。

本发明的上述技术问题可采用如下技术方案来解决，一种流体增压器，包括连接在输入流道和输出流道之间的输入活塞缸和输出活塞缸，输入活塞与输出活塞通过活塞杆固定连接，且输入活塞面积大于输出活塞面积，其特征在于，于输入流道和输入活塞缸之间连接有双稳射流元件，该双稳射流元件包括可附壁切换的第一和第二切换流道以及排液口，其中第一切换流道连通于输入活塞缸的上腔，所述输入活塞缸的下腔通过一换向机构连通于第二切换流道或者连通于一泄流通道，所述的排液口通过节流元件连通于该泄流通道，节流元件与排液口之间的流道形成为节流支路，所述输出活塞缸的下腔通过单向导通元件连通于该节流支路。

本发明中所采用的双稳射流元件，是利用射流的附壁效应而制成一种常用射流元件。该双稳射流元件的形状一般是完全对称的，其可由于附壁切换而导致射流在任一侧壁面上附着并稳定流动。根据双稳射流元件所具有的附壁和切换特性，该双稳射流元件可在两切换流道的压力发生变化时进行切换，附着于压力较小的切换流道中进行稳定流动。

在本发明中，所述的输入活塞缸可为两个或者两个以上活塞缸相串联而成，相邻活塞之间通过活塞杆连接，该些活塞缸的下腔相连通。

作为一个具体的例子，所述的活塞杆可为空心结构，该些活塞缸的下腔通过空心活塞杆相连通。

在本发明中，可进一步在输入流道上并联有溢流支路，以便于在输入流道的流量发生过高时，可通过该溢流支路分流，从而适应输入流道的流量变化。

上述的溢流支路为通过溢流阀连通于泄流通道的支路。

作为另外一个可选择的例子，所述的溢流支路为直接连通于节流支路的支路。

在本发明中，所述的换向机构为二位三通换向阀，该二位三通阀受控在所述输入活塞缸的下腔在连通于第二切换流道的位置或者连通于一泄流通道的位置之间切换。

作为一个具体的例子，所述的换向机构为二位三通换向滑阀，包括固定于输入活塞缸下腔中的阀套和滑动设置于该阀套中的阀芯，可通过阀芯在阀套中的滑动，而在两个位置之间切换。

进一步，所述的阀芯具有突出于阀套的抵顶部，在输入活塞的活塞杆上位于该阀芯的上方和下方分别对应设有与该抵顶部相配合而推动该抵顶部滑动的抵顶面，从而在输入活塞运动到抵顶面与阀芯相接触的位置时，通过该抵顶面推动阀芯滑动，从而使换向机构换向。

本发明的流体增压器，由于采用双稳射流元件，结构简单、体积小，可满足较小作业空间对射流增压的要求。尤其是本发明的流体增压器可应用于石油钻井中，该流体增压器可安装在井底对部分循环钻井液进行增压输出，使得输出高压射流对井底岩石产生切割破碎，提高钻井破岩的综合效率，加快钻井速度。

附图说明

图1本发明的流体增压器的一种实施结构示意图；

图2本发明的流体增压器活塞处于上位时的结构示意图；

图3本发明的流体增压器活塞处于下位的结构示意图；

图4本发明的流体增压器的再一种实施结构示意图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明的流体增压器，包括连接在输入流道1和输出流道2之间的输入活塞缸3和输出活塞缸4，输入活塞31与输出活塞41通过活塞杆42固定连接，且输入活塞31的面积大于输出活塞41的面积，于输入流道1和输入活塞缸3之间连接有双稳射流元件6，该双稳射流元件6包括可附壁切换的第一和第二切换流道61、62以及排液口63，其中第一切换流道61连通于输入活塞缸3的上腔32，输入活塞缸3的下腔33通过一换向机构连通于第二切换流道62或者连通于一泄流通道5，所述的排液口63通过节流元件71连通于该泄流通道5，节流元件71与排液口63之间的流道形成为节流支路7，所述输出活塞缸4的下腔43通过单向导通元件44连通于该节流支路7。

这样，如图2所示，假定输入活塞31位于活塞缸3的上位(即上死点)，此时换向机构受控使输入活塞缸3的下腔33与第二切换流道62的连通通道关闭而打开输入活塞缸3的下腔33与泄流通道5的连通通道，此时双稳射流元件的第二切换流道62受背压的影响，流体压力增大，使流体附壁于第一切换流道61一侧，并通过该第一切换流道61进入输入活塞缸3的上腔32，同时由于节流元件71的作用，使与节流之路7连通的第一切换流道61中的流体压力大于连通于泄流通道5的输入活塞缸3下腔33中的流体压力，从而输入活塞31在该压差作用下向下运动，同时带动输出活塞缸4的输出活塞41向下运动，输出活塞缸4中的流体通过输出流道2高压射流输出，而输入活塞缸3下腔33中的流体通过泄流通道5泄流。如图3所示，当输入活塞缸3的输入活塞31运动到下位(即下死点)时，换向机构受控换向，使输入活塞缸3的下腔33与泄流通道5的连通通道关闭而打开输入活塞缸3的下腔33与第二切换流道62的连通通道，此时输入活塞缸3的上腔32在背压作用下压力增大，使与上腔32连通的第一切换流道61压力增加，输入流道1输入的流体附壁切换到第二切换流道62，并通过该第二切换流道62流入输入活塞缸3的下腔33中，在下腔33和上腔32流体动压差作用下，推动输入活塞31向上运动，输出活塞缸4的输出活塞41随之向上运动，输出活塞缸4的下腔43同时通过单向导通元件44补入工作流体，当输入活塞31运动到上位(即上死点)时，换向机构受控换向，使输入活塞缸3的下腔33与第二切换流道62的连通通道关闭而打开输入活塞缸3的下腔33与泄流通道5的连通通道，开始下一个高压射流输出循环。

在本发明的上述流体增压过程中，由于是采用射流元件的附壁切换特性，并结合换向机构的换向以及节流元件71的压差作用来实现输入活塞31上下运动的切换的，与现有应用机械驱动泵并采用多路换向阀和逻辑控制阀组合来实现增压的增压装置相比，结构简单、体积小，可满足较小作业空间对射流增压的要求。

尤其是如图4所示，本发明的流体增压器可通过上下接头连接安装于井底的钻头上而应用于石油钻井中，此时工作流体为钻井液，该流体增压器可在井底对部分循环钻井液进行增压，并输出到钻头喷嘴，使得输出的高压射流对井底岩石产生切割破碎，从而提高钻井破岩的综合效率，加快钻井速度。

如图1-4所示，在本发明中，所述的输入活塞缸3可为两个或者两个以上活塞缸相串联而成，相邻活塞31之间通过活塞杆34相连接，并且该些活塞缸的下腔33相连通，这样可在不增加流体增压器截面积的情况下，增大输入活塞31的总面积，从而增加增压比，并且更适应于在空间比较狭小的管道中。该活塞缸串联的个数可根据所需的增压比以及每个活塞的面积而确定，在本实施例的附图中仅以两个活塞缸串联为例进行了图示，两个以上活塞缸串联的例子与其相类似，不再一一举例。

如图1-4所示，作为一个具体的例子，所述的活塞杆34可为空心结构，该些活塞缸的下腔33通过空心活塞杆34相连通。

如图4所示，在本发明中，可进一步在输入流道上并联有溢流支路9，以便于在输入流道1的流量发生过高时，可通过该溢流支路9分流，从而适应输入流道1的流量变化。

上述的溢流支路9可为通过溢流阀连通于泄流通道5的支路，图中未示出，其中的溢流量可通过设定溢流阀的开启压力来确定。

作为另外一个可选择的例子，如图4所示，所述的溢流支路9为直接连通于节流支路7的支路，这样当输入流道1中的流量过高时，一部分流体可通过溢流支路7分流后，经节流支路7后，进入泄流通道5泄流。

在本发明中，如图1-4所示，所述的换向机构可为二位三通换向阀8，该二位三通阀8受控在所述输入活塞缸3的下腔33连通于第二切换流道62的位置或者连通于泄流通道5的位置之间切换。如图1-4所示，该二位三通换向阀8可具体具有连通口A、P、B，其中连通口A连通于第二切换流道62，连通口P连通于输入活塞缸3的下腔33，而连通口B连通于泄流通道5，该换向阀8受控进行换向，使连通口P与连通口A或者连通口B连通，从而实现在所述输入活塞缸3的下腔33连通于第二切换流道62的位置或者连通于泄流通道5的位置之间切换。

该二位三通换向阀8可为行程控制阀，通过活塞运动的不同位置控制该二位三通换向阀8在不同位置之间的切换。

该二位三通换向滑阀的阀芯82的滑动控制可通过输入活塞31的上下运动位置来自动控制。作为一个通过输入活塞31的上下位置自动控制的具体例子，所述的阀芯82具有突出于阀套81的抵顶部83，在输入活塞31的活塞杆上位于该阀芯82的上方和下方分别对应设有与该抵顶部83相配合而推动该抵顶部83滑动的抵顶面84，从而在输入活塞31运动到抵顶面84与阀芯82相接触的位置时，通过该抵顶面84推动阀芯82滑动，从而使换向机构换向。

在本实施例以两个活塞缸串联而成输入活塞缸3的例子中，该上下抵顶面84可分别由第一级输入活塞31的下表面和第二级输入活塞31的上表面构成。

这样，如图2所示，在输入活塞31处于上位时，第二级串联输入活塞31抵顶于阀套81下部，将抵顶部83推入阀套81中，使换向阀8换向到输入活塞缸3的下腔33与第二切换流道62的连通通道关闭而输入活塞缸3的下腔33与泄流通道5的连通通道打开的位置，而当输入活塞31处于下位时，第一级输入活塞31抵顶于阀套81上部，将抵顶部83推入阀套81中，使换向阀8换向到输入活塞缸3的下腔33与泄流通道5的连通通道关闭而输入活塞缸3的下腔33与第二切换流道62的连通通道打开的位置。采用该结构，换向阀8的换向通过输入活塞31的抵顶而在输入活塞31处于上位和下位自动在两个位置之间进行换向，从而省略了现有的复杂换向控制结构，使本发明流体增压器的结构更为简单。

上述实施例为本发明的几个具体实施方式，仅用于说明本发明而非用于限制本发明。例如，本发明的流体增压器除了可应用于石油钻井中的例子外，还可应用其他如孔洞挖掘、高压射流切割等的流体增压技术中。

Claims (9)

1、一种流体增压器，包括连接在输入流道和输出流道之间的输入活塞缸和输出活塞缸，输入活塞与输出活塞通过活塞杆固定连接，且输入活塞面积大于输出活塞面积，其特征在于，于输入流道和输入活塞缸之间连接有双稳射流元件，该双稳射流元件包括可附壁切换的第一和第二切换流道以及排液口，其中第一切换流道连通于输入活塞缸的上腔，所述输入活塞缸的下腔通过一换向机构连通于第二切换流道或者连通于一泄流通道，所述的排液口通过一节流元件连通于该泄流通道，节流元件与排液口之间的流道形成为节流支路，所述输出活塞缸的下腔通过单向导通元件连通于该节流支路。

2、如权利要求1所述的流体增压器，其特征在于，所述的输入活塞缸为两个或者两个以上活塞缸相串联而成，相邻活塞之间通过活塞杆连接，该些活塞缸的下腔相连通。

3、如权利要求2所述的流体增压器，其特征在于，所述的相邻输入活塞之间的活塞杆为空心结构，该些活塞缸的下腔通过空心活塞杆相连通。

4、如权利要求1所述的流体增压器，其特征在于，在输入流道上并联有溢流支路。

5、如权利要求4所述的流体增压器，其特征在于，所述的溢流支路为通过溢流阀连通于泄流通道的支路。

6、如权利要求4所述的流体增压器，其特征在于，所述的溢流支路为直接连通于节流支路的支路。

7、如权利要求1所述的流体增压器，其特征在于，所述的换向机构为二位三通换向阀，该二位三通阀控制所述输入活塞缸的下腔在连通于第二切换流道的位置或者连通于所述泄流通道的位置之间切换。

8、如权利要求7所述的流体增压器，其特征在于，所述的换向机构为二位三通换向滑阀，包括固定于输入活塞缸下腔中的阀套和滑动设置于该阀套中的阀芯，通过阀芯在阀套中的滑动，而在两个位置之间切换。

9、如权利要求8所述的流体增压器，其特征在于，所述的阀芯具有突出于阀套的抵顶部，在输入活塞的活塞杆上位于该阀芯的上方和下方分别对应设有与该抵顶部相配合而推动该抵顶部滑动的抵顶面。

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